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Safecloud: A Distributed, Encrypted Storage Cloud for Streaming

Safecloud는 파일을 브라우저 기반 스토리지 노드와 연합된 라우터에 걸쳐 암호문 전용 청크로 분할 및 암호화함으로써 프라이버시를 보장하고, 새로운 키 계층 구조와 수렴형 어드레싱을 활용하여 평문이나 키를 전혀 노출하지 않고도 안전한 중복 제거, 효율적인 O(1) 스트리밍, 그리고 검증 가능하고 저비용인 인센티브를 가능하게 하는 분산형 암호화 저장 및 스트리밍 네트워크입니다.

원저자: Gregory Magarshak

게시일 2026-06-10

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CC BY 4.0

원저자: Gregory Magarshak

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

당신이 인터넷에 방대한 영화와 도서 라이브러리를 저장하고 싶다고 상상해 보세요. 하지만 당신은 당신의 선반을 맡아줄 낯선 사람들을 신뢰하지 않습니다. 그들이 당신의 책을 읽는 것을 원치 않으며, 당신이 모르는 사이에 그들이 페이지를 가짜로 바꿔치기하는 것도 원치 않습니다.

Safecloud는 이 문제를 해결하기 위해 설계된 새로운 시스템입니다. 이것은 당신의 웹 브라우저를 하나의 저장 장치로 바꾸며, 데이터를 보유한 사람들조차 그 내부를 볼 수 없는 안전하고 암호화된 네트워크를 생성합니다.

다음은 이 시스템이 어떻게 작동하는지 쉬운 개념별로 나누어 설명한 것입니다.

1. "눈먼" 저장소 (드롭 - Drops)

보통 보관함을 빌리면, 주인은 마스터 키를 가지고 있어 내부를 들여다볼 수 있습니다. Safecloud에서 저장 단위는 **드롭(Drops)**이라고 불립니다.

비유: 당신의 귀중품을 집을 떠나기도 전에 금고에 넣고 잠근다고 상상해 보세요. 그리고 그 잠긴 금고를 낯선 사람(드롭)에게 건네주어 그들의 지하실에 보관하게 합니다.
마법: 낯선 사람은 열쇠를 결코 볼 수 없습니다. 그들은 오직 잠긴 상자만을 볼 뿐입니다. 그들은 상자를 열 수도, 내용물을 읽을 수도, 심지 even 그 안에 무엇이 들어있는지조차 알 수 없습니다. 만약 그들이 당신의 상자를 다른 것으로 바꾸려 한다면, 자물쇠가 라벨과 일치하지 않아 당신은 즉시 알게 될 것입니다.
반전: 이 "낯선 사람들"은 사실 평범한 웹 브라우저 탭입니다. 만약 당신이 웹사이트의 탭을 열어둔다면, 그 탭은 드롭이 되어 당신의 잠긴 상자들을 무료로 보관할 수 있습니다.

2. "마스터 키"와 "마법 지도" (클라우드 & 제트 - Cloud & Jets)

당신(클라우드/Cloud)은 유일한 마스터 키를 보유합니다. 당신은 이 키를 절대 누구에게도 보내지 않습니다.

비유: 낯선 사람에게 열쇠를 주는 대신, 당신은 마법 지도(이름은 제트/Jet)를 줍니다.
작동 방식: 제트는 라우팅 서버입니다. 제트는 당신의 데이터를 보유하지도 않고, 당신의 키를 가지고 있지도 않습니다. 단지 당신의 잠긴 상자들이 어디에 있는지만 알고 있습니다. 당신이 영화를 보고 싶을 때, 제트는 드롭들에게 "이봐, '장면 1'이라고 적힌 상자를 가져와"라고 말합니다. 그러면 드롭은 잠긴 상자를 가져오고, 당신은 당신의 기기에서 그것을 풉니다.

3. "단일 루트" 트리 구조 (키 혼란의 종말)

많은 시스템에서는 친구에게 책의 특정 장(chapter)만 공유하고 싶을 때, 새로운 자물쇠를 채운 책 전체를 새로 복사해야 합니다. Safecloud는 더 똑똑합니다.

비유: 모든 가족 구성원이 고유한 열쇠를 가진 가족 가계도를 상상해 보세요. Safecloud에서는 단 하나의 **마스터 키(루트/Root)**만 존재합니다. 모든 개별 파일, 모든 조각, 그리고 모든 공유 폴더에 대한 다른 모든 키는 수학적으로 그 하나의 마스터 키로부터 파생됩니다.
이점: 만약 친구에게 영화의 제3장만 보여주고 싶다면, 영화 전체를 다시 잠글 필요가 없습니다. 단지 그 특정 가지(branch)만을 풀 수 있는 "하위 키"를 전달하면 됩니다. 그들은 당신이 특정 권한을 주지 않았다면 제4장이나 오디오 트랙을 열 수 없습니다. 이는 마치 누군가에게 현관문만 열 수 있는 열쇠를 주는 것과 같습니다. 지하실의 금고까지 열 수 있는 열쇠를 주는 것이 아닙니다.

4. 다운로드 없는 스트리밍

이 "트리" 구조 덕분에 영상을 보는 것은 매우 빠르고 유연합니다.

비유: 영상을 긴 기차라고 상상해 보세요. 일반적인 암호화 시스템에서는 마지막 칸에 도달하기 위해 앞쪽의 모든 칸을 먼저 열어야 할 수도 있습니다.
Safecloud의 방식: 키들이 수학적으로 연결되어 있기 때문에, 만약 당신이 "기차역"(시작 지점)에 대한 키를 가지고 있다면, 이전의 것들을 열지 않고도 특정 "칸"(세그먼트)에 대한 키를 즉시 계산해 낼 수 있습니다. 당신은 영화의 끝으로 즉시 이동할 수 있으며, 시스템은 그 정확한 순간을 위한 키를 순식간에 계산합니다.

5. "정직 경제" (세이프벅스 - Safebux)

드롭들이 당신의 상자를 삭제하고 도망가지 않도록 어떻게 보장할까요?

비유: "보여줘 봐" 게임을 상상해 보세요. 주기적으로 제트는 드롭에게 " '장면 1'이라고 적힌 상자를 보여줘"라고 요청합니다. 드롭은 디지털 영수증에 서명함으로써 자신이 여전히 상자를 가지고 있음을 증명해야 합니다.
보상: 드롭이 상자를 가지고 있음을 증명하면, **세이프벅스(Safebux)**라는 포인트를 얻습니다. 만약 상자를 제시하지 못하면, 포인트를 잃고 쫓겨납니다. 이는 정직하게 행동하는 것이 속임수를 쓰는 것보다 더 저렴하고 쉽도록 만드는 시스템을 구축합니다. 엄청나게 느린 컴퓨터 연산 능력을 요구하는 다른 시스템들과 달리, Safecloud는 단순한 디지털 서명만을 요구하므로 훨씬 더 빠르고 저렴합니다.

요약: 무엇이 특별한가?

개인정보 우선: 데이터를 저장하는 사람들은 글자 그대로 그 내용을 볼 수 없습니다.
브라우저 기반: 특별한 하드웨어가 필요하지 않습니다. 당신의 브라우저 탭이 저장 제공자가 될 수 있습니다.
세밀한 제어: 영화의 5분짜리 예고편이나 자막만을 공유할 수 있으며, 파일 전체를 공유할 필요가 없습니다.
효율성: 수학을 사용하여 단계를 건너뜀으로써, 영상의 "탐색(seeking)"을 즉각적으로 가능하게 하고 자동 중복 제거(두 사람이 같은 파일을 업로드하면 시스템은 하나의 잠긴 복사본만 저장하여 공간을 절약함)를 실현합니다.

핵심 요점: Safecloud는 데이터를 보유한 사람들이 그 내용에 대해 "눈이 먼" 상태이며, 스트리밍 영상을 재생할 만큼 빠르고, 정직하게 행동하는 것이 가장 수익성이 높은 경로가 되도록 설계된 경제 구조를 가진 글로벌 저장 네트워크를 구축하는 방법입니다.

기술 요약: Safecloud

문제 정의

탈중앙화 스토리지 네트워크는 근본적인 신뢰 딜레마에 직면해 있다: 즉, 데이터 저장자가 데이터를 읽거나, 변경하거나, 데이터를 인질로 잡을 수 없도록 하면서도, 신뢰할 수 없는 제3자에게 데이터를 저장하도록 요구해야 한다는 점이다. 기존의 솔루션들은 이 문제의 일부를 해결하지만, 이를 완전히 통합하는 데는 실패했다. 콘텐츠 주소 지정 시스템(예: IPFS)은 데이터 무결성을 보장하지만 네이티브 암호화 및 가격 책정 메커니즘이 부족하다. 인센티브 기반 네트워크(예: Filecoin, Storj)는 경제 모델과 저장 증명을 제공하지만, 전용 인프라 운영자에 의존하며 데이터를 봉인(seal)하기 전에 반드시 암호화해야 하므로 복잡성을 더한다. 결정적으로, 어떤 시스템도 스토리지 제공자가 일반적이고 신뢰할 수 없는 웹 브라우저 탭이 될 수 있도록 허용하지 않으며, 암호화된 무작위 접근 스트리밍과 세밀한 수익화 모델을 위한 통합된 아키텍처를 제공하지 않는다.

방법론

Safecloud는 노드가 평문을 관찰할 수 없고 복호화 키를 보유하지도 않는, 분산된 암호화 스토리지 및 스트리밍 네트워크를 제안한다. 이 아키텍처는 세 가지 뚜렷한 역할에 기반한다:

Cloud (클라우드): 소유자 또는 권한을 부여받은 수혜자의 SDK가 브라우저에서 실행된다. 이는 루트 비밀키를 보유하고, 파일을 분할하며, 청크를 암호화하고, 키를 관리한다.
Jets (제츠): 청크를 스토리지 노드와 매칭하고, 검색 요청을 처리하며, 권한을 검증하는 페더레이션 라우팅 서버(Node.js)이다. 이들은 평문을 절대 볼 수 없다.
Drops (드롭스): IndexedDB에 암호화된 청크를 저장하는 브라우저 탭이다. 이들은 데이터 요청에 따라 데이터를 제공하지만, 키를 가지고 있지 않으며 내용을 읽을 수 없다.

시스템은 다섯 가지 핵심적인 암호학적 및 구조적 기둥을 바탕으로 구축된다:

1. 파생 합의를 통한 단일 루트 키 계층 구조

시스템의 모든 키는 도메인 분리 레이블을 사용하는 HKDF-SHA256을 통해 하나의 32바이트 루트 비밀키로부터 결정론적으로 파생된다.

구조: 루트 $r$ 은 암호화 루트 $e$ 와 액세스 루트 $a$ 를 생성한다. $e$ 로부터는 특정 범위 $[S, E)$ 에 대한 서브트리 키 $k_{sub}^{[S,E)}$ 가 파생된다. 마지막으로, 상대적 인덱스를 사용하여 서브트리 키로부터 청크 키 $k_i$ 와 IV $v_i$ 가 파생된다.
의의: 이를 통해 소유자는 파일의 특정 범위를 서브트리 키만을 공유함으로써 수혜자에게 위임할 수 있다. 수혜자는 루트 비밀키를 알지 못하면서도 소유자와 동일한 청크 키 및 IV를 파생할 수 있어, 재암호화 없이도 범위 위임이 가능하다.

2. 맹목적 검증성을 갖춘 수렴형 콘텐츠 주소 지정

키 파생이 결정론적이기 때문에, 동일한 루트 아래의 동일한 콘텐츠는 동일한 암호문과 콘텐츠 식별자(CID)를 생성한다.

메커니즘: CID는 인증된 암호문(암호문 + GCM 태그)에 대해 계산된다.
맹목적 검증성 (Blind Verifiability): Drop은 저장된 바이트로부터 CID를 재계산하고 이를 요청된 CID와 비교함으로써 자신이 올바른 청크를 보유하고 있는지 검증할 수 있다. 이 검증에는 키가 필요하지 않으며 평문을 드러내지 않으므로, 신뢰할 수 없는 노드가 데이터 무결성을 확인할 수 있게 한다.
중복 제거: 이는 동일한 소유자의 루트 범위 내에서 재업로드 및 공유 버전의 중복 제거를 가능하게 하지만, 글로벌 수렴 암호화에서 흔히 발생하는 교차 사용자 중복 제거 공격은 방지한다.

3. 하나의 탐색 경로 위에 구축된 세 개의 병렬 트리

Safecloud는 단일 링크 경로 주소 지정 방식(예: [track, data, 0, 1])을 사용하여 세 가지 별도의 트리를 동시에 인덱싱한다:

공개 Merkle 트리: 청크 CID의 무결성 검증을 위해 사용된다.
하향식 키 파생 트리: 루트에서 청크까지 키를 파생하여 기밀성을 유지한다.
액세스 트리: 서명된 위임을 포함하며 권한 부여를 위해 사용된다.
이 구조는 단일 경로가 청크의 무결성 증명, 복호화 키, 그리고 액세스 권한을 동시에 찾을 수 있도록 보장한다.

4. 하향식 파생을 통한 스트리밍

키 계층 구조는 스트리밍 인덱스로 기능한다.

무작위 접근 (Random Access): 서브트리 키를 가진 플레이어는 루트에서부터 다시 거슬러 올라가거나 이전 청크를 가져올 필요 없이 $O(1)$ 시간에 임의의 세그먼트 키를 파생할 수 있다.
병렬 트랙: 파일은 독립적인 서브트리 집합(예: 비디오, 오디오, 자막)으로 취급된다. 수혜자는 비디오 트랙 없이 자막 트랙에만 접근하거나, 파일을 재암호화하지 않고 특정 세그먼트 범위에 대한 접근 권한을 가질 수 있다.
수익화: 이는 트랙별 및 세그먼트별 잠금 해제를 가능하게 하여, 기존 암호화 스토리지 네트워크에서는 어려웠던 세밀한 수익화 모델(예: 특정 챕터 대여)을 가능하게 한다.

5. 검증 가능한 제로섬 스토리지 경제

네트워크는 OpenClaiming 트러스트라인을 통해 결제되는 "Safebux" 경제를 사용한다.

인센티브: Drop은 저장에 대해 Safebux를 벌고, Jet은 라우팅에 대해 벌이를 한다.
저장 증명: Filecoin의 계산 집약적인 "실링(sealing)"(느리고 순차적인 인코딩) 대신, Safecloud는 경량 챌린지-응답 서명을 사용한다. Jet은 Drop에게 (CID, nonce) 쌍에 대한 서명을 요구하는 챌전지를 던진다. 응답에 실패할 경우 "Proof-of-Corruption(부패 증명)" 원칙에 따라 스테이크가 슬래싱(삭감)된다.
비용 효율성: 이러한 접근 방식은 기밀성이 내재되어 있기 때문에(데이터가 저장 전에 암호화됨), 별도의 암호화 단계를 거쳐 실링할 필요가 없어 Proof-of-Replication보다 구조적으로 저렴하다고 주장된다.

결과 및 구현 상태

본 논문은 이론적 프레임워크와 함께 구현된 핵심 요소와 설계된 구성 요소 간의 구체적인 차이점을 명시한 참조 구현을 제시한다:

구현됨: 결정론적 키 파생, 위치 바인딩을 포함한 AES-256-GCM 암호화, CIDv1 계산, Prolly 트리와 Bloom 필터를 사용한 인벤토리 조정을 포함한 공개 Merkle 트리, 그리고 Cloud/Drop/Jet 통신 프로토콜을 포함한 핵심 암호화 파이프라인이 완전히 구현되었다.
설계됨/진행 중: 경제 결제 레이어(OpenClaiming 검증), 저장 증명 챌린지 서명, Erasure Coding(현재는 복제 방식 사용 중), 그리고 Jet 간의 피어링(Peering)은 명시되어 있으나 현재 빌드에서 아직 강제 적용되지는 않았다.
이론적 증명: 본 논문은 다음 사항에 대한 공식적인 증명을 제공한다:
- 파생 합의 (Derivation Agreement): 소유자와 수혜자가 위임된 범위에 대해 동일한 키를 파생함.
- 위임 포함 관계 (Delegation Containment): 수혜자는 허용된 범위를 벗어난 키를 파생할 수 없음.
- 맹목적 검증성 (Blind Verifiability): Drop은 키 없이 청크 무결성을 검증할 수 있음.
- 검색 건전성 (Retrieval Soundness): Merkle 검증된 검색은 어떠한 치환이나 부패도 감지함.

의의

Safecloud는 공급(저장)과 수요(소비) 모두를 브라우저 세션 내부로 배치함으로써, 방문자가 설치 없이도 열려 있는 탭을 통해 스토리지 제공자가 될 수 있도록 한다는 점에서 차별화된다. 이는 다음과 같은 독특한 결합을 제공한다:

종단간 암호화 (End-to-End Encryption): 스토리지 제공자는 불투명한 암호문만을 보게 된다.
효율적인 스트리밍: 하향식 키 파생을 통한 무작위 접근 복호화.
세밀한 액세스 제어: 재암호화 없는 트랙별 및 세그먼트별 위임.
저비용 검증: 무거운 계산적 실링 대신 경량 서명에 기반한 스토리지 경제.

결론적으로, Safecloud는 무작위 접근 가능한 복호화 스트리밍과 세그먼트별 수익화를 결함한 새로운 조합을 제공하며, 이는 기존의 암호화된 스토리지 네트워크에서는 찾아볼 수 없는 특징이다. 이는 검증 가능한 저장소를 넘어 검증 가능한 연산으로 원칙을 확장하고자 하는 Safecloud 2.0의 토대 역할을 한다.